CN108214481A - 可实现多关节同时锁紧的七自由度主被动机械臂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现多关节同时锁紧的七自由度主被动机械臂，包括机械臂外部连接机构、电机驱动系统、凸轮机构、钢球传动机构，电机驱动系统的输出轴端与凸轮机构连接。机械臂外部连接机构包括近端套杯内置近端球关节、中间旋转关节、远端套杯内置远端球关节、近端连杆、远端连杆，由三个关节提供七个自由度，使机械臂灵活运动，工作空间范围加大；结构简单紧凑，刚度、稳定性高；被动式定位方法使定位速度加快；由电机驱动锁紧关节使关节锁紧变得可靠，释放人力。

Description

可实现多关节同时锁紧的七自由度主被动机械臂
技术领域
本发明涉及一种机械臂，尤其涉及一种可实现多关节同时锁紧的七自由度主被动机械臂。
背景技术
目前各种可实现各关节同时锁紧的机械臂主要有两种：
第一种是类似SCARA、PUMA型机器人的机械臂，这种类型的机械臂运用了多个关节，通过电机驱动关节运动，到达位置后电机自动锁紧关节，实现可靠稳定、刚度高，但这种机械臂是主动式运动，通过电机驱动运动会使定位速度减缓，工作空间不是很大，而且多关节机械臂会使结构变得复杂不紧凑；
第二种是通过手动锁紧关节的被动式机械臂，这种机械臂结构简单轻便、工作空间大，但由于它是通过手拧把手提供锁紧力矩，要提供很大的预紧力，操作这种类型的机械臂可能会比较吃力。
发明内容
本发明的目的是提供一种可实现多关节同时锁紧的七自由度主被动机械臂。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的可实现多关节同时锁紧的七自由度主被动机械臂，包括机械臂外部连接机构、电机驱动系统、凸轮机构、钢球传动机构，所述电机驱动系统的输出轴端与凸轮机构连接；
所述机械臂外部连接机构包括近端套杯内置近端球关节、中间旋转关节、远端套杯内置远端球关节、近端连杆、远端连杆，所述近端球关节通过近端连杆与中间旋转关节的下半部分连接，所述远端球关节通过远端连杆与中间旋转关节的上半部分连接；
小制动盘置于所述中间旋转关节的下半部分中，并通过螺钉与所述中间旋转关节的上半部分连接，大制动盘通过螺钉与中间旋转关节的下半部分连接，大制动盘内径比小制动盘内径小，限制小制动盘轴向的运动。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的可实现多关节同时锁紧的七自由度主被动机械臂，根据两个球关节和中间旋转关节提供的七个旋转自由度，通过手动拖拽机械大小臂快速定位后，按下电机按钮驱动凸轮转动，由凸轮位移产生正向力经由内部传动机构通过摩擦锁紧方式实现关节的锁紧。不仅结构简单紧凑，工作空间大，而且能够快速定位并锁紧关节。
附图说明
图1为本发明实施例提供的可实现多关节同时锁紧的七自由度主被动机械臂的二维主视结构示意图；
图2为本发明实施例提供的可实现多关节同时锁紧的七自由度主被动机械臂的二维俯视结构示意图；
图3a、图3b分别为本发明实施例的二维左、右视图；
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的可实现多关节同时锁紧的七自由度主被动机械臂，其较佳的具体实施方式是：
包括机械臂外部连接机构、电机驱动系统、凸轮机构、钢球传动机构，所述电机驱动系统的输出轴端与凸轮机构连接；
所述机械臂外部连接机构包括近端套杯内置近端球关节、中间旋转关节、远端套杯内置远端球关节、近端连杆、远端连杆，所述近端球关节通过近端连杆与中间旋转关节的下半部分连接，所述远端球关节通过远端连杆与中间旋转关节的上半部分连接；
小制动盘置于所述中间旋转关节的下半部分中，并通过螺钉与所述中间旋转关节的上半部分连接，大制动盘通过螺钉与中间旋转关节的下半部分连接，大制动盘内径比小制动盘内径小，限制小制动盘轴向的运动。
所述电机驱动系统包括伺服电机、行星齿轮箱减速器、编码器，所述行星齿轮箱减速器通过螺钉连接固定在电机套筒上，圆环套着伺服电机与电机套筒内径过盈配合。
所述凸轮机构包括凸轮、滚珠、从动件，表面加工成有深度差的两条螺旋槽凸轮直接通过平键与所述电机驱动系统连接，一对滚珠置于凸轮的螺旋槽中，由一个盘形环限制滚珠径向移动，盘形环固定于从动件中，同时滚珠也与从动件底部接触，从动件另一侧与所述近端球关节接触。
所述钢球传动机构包括传动钢球、电机套筒、远端传动杆，五个传动钢球置于所述中间旋转关节的通道中，左下边第一个传动钢球由通过螺纹连接于电机套筒的端盖顶着，所述端盖与所述近端连杆内径间隙配合，右上边第一个传动钢球由远端传动杆顶着，所述远端传动杆另一边顶着远端球关节，远端传动杆与两个圆环间隙配合，这两个圆环与所述远端连杆内径过盈配合，支撑远端传动杆。
本发明的可实现多关节同时锁紧的七自由度主被动机械臂，由三个关节提供七个自由度，使机械臂灵活运动，工作空间范围加大；结构简单紧凑，刚度、稳定性高；被动式定位方法使定位速度加快；由电机驱动锁紧关节使关节锁紧变得可靠，释放人力。
具体实施例：
由图1、图2、图3a、图3b示出，一种可实现多关节同时锁紧的七自由度主被动机械臂，主要由机械臂外部连接机构、电机驱动系统(1，2)、凸轮机构(3)、钢球传动机构(4)组成。
机械臂外部连接机构(1)由运动关节(5,8,9,12)、连杆(7,10)及其组件组成。近端套杯(6)内置近端球关节(5)通过近端连杆与中间旋转关节的下半部分(8)连接；远端套杯(11)内置远端球关节(12)通过远端连杆与中间旋转关节的上半部分(9)连接；小制动盘(13)置于旋转关节下半部分(8)中，通过螺钉(14)与中间旋转关节的上半部分(9)连接，大制动盘(15)通过螺钉(16)与中间旋转关节的下半部分(8)连接，大制动盘(15)内径比小制动盘(13)内径小，限制小制动盘(13)轴向的运动，从而使被动式机械臂外部机构(1)紧密连接。
电机驱动系统(2)由伺服电机(17)、行星齿轮箱减速器(18)、编码器(19)组成。行星齿轮箱减速器(18)通过螺钉(20)连接固定在电机套筒(21)，圆环(22)套着伺服电机(17)与电机套筒(21)内径过盈配合。电机驱动系统(2)主要驱动凸轮(23)转动，提供驱动锁紧力。
凸轮机构(3)由凸轮(23)、滚珠(24)、从动件(25)组成。表面加工成有深度差的两条螺旋槽凸轮(23)直接通过平键(26)与电机系统(2)连接，一对滚珠(24)置于凸轮(23)螺旋槽中，由一个盘形环(27)限制滚珠(24)径向移动，盘形环(27)固定于从动件中，同时滚珠(24)也接触从动件(25)底部，从动件另一侧与近端球关节(5)接触。
钢球传动机构(4)由传动钢球(28)、电机套筒(21)、远端传动杆(29)及其附件组成。五个钢球(28)置于中间旋转关节(8,9)的通道中，左下边第一个钢球由通过螺纹连接于电机套筒(21)的端盖(30)顶着，端盖(30)与近端连杆(7)内径间隙配合，右上边第一个钢球由远端传动杆(29)顶着，远端传动杆(29)另一边顶着远端球关节(12)，远端传动杆(29)与两个圆环(31)间隙配合，这两个圆环(31)与远端连杆(10)内径过盈配合，起到支撑远端传动杆(29)的作用。
使用机械臂时，先通过人手拖拽机械臂到达手术区域上方，到达大概位置后，按下电机驱动系统(2)按钮，使电机驱动系统带动凸轮机构(3)旋转，由凸轮机构(3)位移产生的正向力经由内部传动机构(4)顶着各关节，通过摩擦锁紧的方式锁紧各关节。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种可实现多关节同时锁紧的七自由度主被动机械臂，其特征在于，包括机械臂外部连接机构(1)、电机驱动系统(2)、凸轮机构(3)、钢球传动机构(4)，所述电机驱动系统(2)的输出轴端与凸轮机构(3)连接；
所述机械臂外部连接机构(1)包括近端套杯(6)内置近端球关节(5)、中间旋转关节(8,9)、远端套杯(11)内置远端球关节(12)、近端连杆(7)、远端连杆(10)，所述近端球关节(5)通过近端连杆(7)与中间旋转关节的下半部分(8)连接，所述远端球关节(12)通过远端连杆(10)与中间旋转关节的上半部分(9)连接；
小制动盘(13)置于所述中间旋转关节的下半部分中(8)，并通过螺钉(14)与所述中间旋转关节的上半部分(9)连接，大制动盘(15)通过螺钉(16)与中间旋转关节的下半部分(8)连接，大制动盘(15)内径比小制动盘(13)内径小，限制小制动盘(13)轴向的运动。
2.根据权利要求1所述的可实现多关节同时锁紧的七自由度主被动机械臂，其特征在于，所述电机驱动系统(2)包括伺服电机(17)、行星齿轮箱减速器(18)、编码器(19)，所述行星齿轮箱减速器(18)通过螺钉(20)连接固定在电机套筒(21)上，圆环(22)套着伺服电机(17)与电机套筒(21)内径过盈配合。
3.根据权利要求2所述的可实现多关节同时锁紧的七自由度主被动机械臂，其特征在于，所述凸轮机构(3)包括凸轮(23)、滚珠(24)、从动件(25)，表面加工成有深度差的两条螺旋槽凸轮(23)直接通过平键(26)与所述电机驱动系统(2)连接，一对滚珠(24)置于凸轮(23)的螺旋槽中，由一个盘形环(27)限制滚珠(24)径向移动，盘形环(27)固定于从动件(25)中，同时滚珠(24)也与从动件(25)底部接触，从动件(25)另一侧与所述近端球关节(5)接触。
4.根据权利要求3所述的可实现多关节同时锁紧的七自由度主被动机械臂，其特征在于，所述钢球传动机构(4)包括传动钢球(28)、电机套筒(21)、远端传动杆(29)，五个传动钢球(28)置于所述中间旋转关节(8,9)的通道中，左下边第一个传动钢球(28)由通过螺纹连接于电机套筒(21)的端盖(30)顶着，所述端盖(30)与所述近端连杆(7)内径间隙配合，右上边第一个传动钢球(28)由远端传动杆(29)顶着，所述远端传动杆(29)另一边顶着远端球关节(12)，远端传动杆(29)与两个圆环(31)间隙配合，这两个圆环(31)与所述远端连杆(10)内径过盈配合，支撑远端传动杆(29)。
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